分頁虛擬記憶體（page-based virtual memory）是一種內存管理技術，用於現代操作系統中，以提供進程一個連續的虛擬內存空間，同時有效地使用物理內存。這種技術將虛擬內存空間劃分為大小固定的區塊，稱為「頁」（pages），並將物理內存劃分為大小相同的區塊，稱為「頁框」（page frames）。
基本原理
-
虛擬地址與物理地址：
- 每個進程看到的是一個連續的虛擬地址空間，而實際上這些虛擬地址被映射到物理內存中的不連續頁框上。
-
頁和頁框：
- 虛擬內存空間和物理內存空間都被劃分為大小固定的頁（通常為4KB或8KB），虛擬頁被映射到物理頁框。
-
頁表（Page Table）：
- 每個進程都有一個頁表，用於記錄虛擬頁與物理頁框之間的映射關係。頁表存儲在內存中，由硬件和操作系統管理。
- 頁表條目（Page Table Entry, PTE）包含了虛擬頁對應的物理頁框號以及其他控制信息（如是否存在於內存中、是否被修改等）。
-
頁表查詢：
- 當進程訪問某個虛擬地址時，處理器通過頁表查詢將虛擬地址轉換為物理地址。如果對應的頁框存在於物理內存中，則直接訪問；如果不在內存中（頁缺失），則觸發頁錯誤，由操作系統將所需頁從磁盤調入內存。
工作流程
-
地址轉換：
- 虛擬地址由頁號（高位部分）和頁內偏移量（低位部分）組成。
- 處理器使用頁號查詢頁表，獲取對應的物理頁框號，然後加上頁內偏移量，形成最終的物理地址。
-
頁錯（Page Fault）處理：
- 如果頁表查詢發現頁表條目無效（頁不在內存中），則產生頁錯。
- 操作系統處理頁錯，從磁盤中讀取所需頁到內存，更新頁表，然後重新執行引發頁錯的指令。
-
頁替換：
- 當內存不足時，操作系統需要將某些頁換出到磁盤，騰出空間存儲新的頁。這涉及頁替換算法，如最久未使用（LRU）算法。
優點
-
增強內存利用率：
- 分頁虛擬記憶體允許進程使用比實際物理內存更大的虛擬內存空間，並且可以動態地調整進程使用的內存。
-
內存保護：
- 各進程的虛擬地址空間相互隔離，增強了系統的穩定性和安全性。
-
靈活的內存管理：
- 操作系統可以方便地管理內存，實現內存的動態分配和釋放。
總結
分頁虛擬記憶體通過將虛擬內存劃分為固定大小的頁，並將這些頁映射到物理內存的頁框中，提供了一種有效的內存管理方法。它利用頁表實現虛擬地址到物理地址的轉換，處理頁錯和頁替換，從而提高內存利用率和系統的靈活性。這種技術在現代計算機系統中廣泛應用，支持多任務和多用戶環境下的高效運行。
阿摩線上測驗
登入